Pochopení rekuperace energie v rotačních výměnících tepla

Klíčové technické prvky, které ovlivňují energetickou účinnost

Pochopení rekuperace energie v rotačních výměnících tepla - klíčové technické prvky, které ovlivňují energetickou účinnost

Systémy pro rekuperaci tepla lze rozdělit do dvou kategorií na základě tepelných parametrů systému: Systémy pro rekuperaci a přeměnu energie z odpadního tepla s vysokými tepelnými parametry (nad 70^oC) a systémy pro rekuperaci a přeměnu energie z odpadního tepla s nízkými tepelnými parametry (pod 70^oC).

Systémy pro rekuperaci tepla a přeměnu energie nad 70^oC se používají v technologických procesech, které probíhají v energetickém, potravinářském, chemickém a dalších průmyslových odvětvích založených na procesech, kde se uvolňuje velké množství odpadního tepla. Toto odpadní teplo s vysokými tepelnými parametry lze využít ke zlepšení energetické a ekonomické efektivity podniků přímým ohřevem vzduchu ve ventilačních systémech nebo k rozšíření technologických procesů vyžadujících vyšší teploty (např. zdroj tepla pro tepelná čerpadla používaná pro pasterizaci v potravinářském průmyslu nebo pro výrobu elektřiny v organických systémech Rankineova cyklu nebo Kalina cyklu). Odpadní teplo s takto zvýšenými tepelnými parametry lze také využít pro chladicí a klimatizační procesy (např. přeměna tepelné energie na chlazenou vodu pomocí absorpčních nebo adsorpčních chladičů).

Systémy pro rekuperaci tepla a přeměnu energie pod 70^oC se nejčastěji používají k vytápění v obytných budovách (např. podlahové vytápění s využitím tepelných čerpadel) nebo komerčních budovách (např. ve vzduchotechnických jednotkách (AHU) k ohřevu „čerstvého“ nebo „venkovního“ vzduchu zpětným získáváním tepla z „použitého“ nebo „odpadního“ vzduchu). Tento článek se zaměří na aplikace v komerčních budovách.

Systémy rekuperace tepla ve vzduchotechnických jednotkách jsou založeny na dvou systémech, které v závislosti na typu řešení zvoleného v návrhu jednotky spotřebovávají elektřinu (aktivní systémy) nebo ne (pasivní systémy). Aktivní systémy rekuperace tepla ve vzduchotechnických jednotkách zahrnují například systémy založené na rotačních výměnících tepla nebo reverzibilních tepelných čerpadlech. Pasivní systémy rekuperace tepla zahrnují křížové a šestihranné výměníky tepla. Charakteristickým rysem rekuperace tepla ve větracích systémech je, že teplo je rekuperováno při malých teplotních rozdílech mezi proudem vzduchu s vyšší teplotou a proudem vzduchu s nižší teplotou, přičemž vzduch s vyšší teplotou zřídka přesahuje 30 °C.^oC (v komerčních budovách dochází k rekuperaci tepla i při nižších teplotách vzduchu).

Nejčastěji se zpětné získávání tepla ve větracích a klimatizačních jednotkách provádí pomocí rotačních nebo křížových (šestihranných) výměníků tepla, méně často pomocí tepelných čerpadel. Rotační výměníky tepla se používají ve vzduchotechnických jednotkách (VZT), kde je povolena výměna hmoty mezi vstupním a výstupním vzduchem ve VZT jednotce (obvykle se jedná o veřejné budovy). Křížové a šestihranné výměníky tepla se používají ve vzduchotechnických jednotkách, kde nelze povolena výměna hmoty mezi čerstvým a použitým vzduchem (např. nemocnice). Reverzibilní tepelná čerpadla se používají, když je pro účely vytápění potřeba přiváděný vzduch o vysoké teplotě.

Hmotnostní a energetická bilance ve výměnících tepla používaných ve vzduchotechnických jednotkách

Při výpočtu výkonu rotačního výměníku tepla pro rekuperaci tepla ve vzduchotechnických jednotkách je kromě energetické bilance vyžadována i vhodná hmotnostní bilance. Následují rovnice energetické a hmotnostní bilance pro ustálené proudění s následujícím předpokladem. Periodické změny parametrů vyplývající z rotačního pohybu výměníku jsou v celkové energetické a vlhkostní bilanci zprůměrovány – to znamená, že periodické lokální změny teploty a vlhkosti na povrchu rotujícího kola jsou nevýznamné, a proto se ve výpočtech vynechávají.

a) Hmotnostní, koncentrační a energetická bilance pro rotační výměníky tepla: